On the slipping of friction clutches during gear shifting without interruption of power flow in gearboxes of cars and tractors

Full Text

В настоящее время при разработке КП автомобилей и тракторов, где переключение передач осуществляется без разрыва потока мощности от двигателя с помощью ФС с гидроподжатием, большое внимание уделяется управлению давлением в бустерах ФС и процессу переключения в целом. Это связано с тем, что от качества процесса переключения во многом зависит долговечность узлов и агрегатов, участвующих в переключении передач. В некоторых работах при математическом моделировании процесса переключения выдвигаются предположения о том, что при переключении передач могут буксовать ФС включаемой и выключаемой передач [1-5]. Однако во всех этих работах отсутствует экспериментальное подтверждение этого допущения. Хотя теоретически, с точки зрения самой возможности реализации одновременного буксования двух ФС, это вполне возможно, к реальному процессу переключения передач в КП такие представления не имеют отношения и являются ошибочными. Чтобы обосновать это, рассмотрим процесс переключения передач без разрыва потока мощности на примере элементарного узла КП с двумя параллельными валами (рис. 1) [6, 7]. Примем, что в начальный момент времени ( ) ФС замкнуто и поток мощности от двигателя передается только через передачу (см. рис. 1, а). Процесс переключения начинается с включения ФС в то время, когда ФС еще остается замкнутым и продолжает передавать крутящий момент. Физически процесс включения ФС предполагает подачу давления в бустер ФС, постепенное сжатие пакета дисков и, как следствие, его буксование. В результате включаемое ФС , буксуя, начинает передавать мощность в направлении от ведущего вала 1 к ведомому валу 2. Однако величины момента трения ФС в начале переключения еще недостаточно для преодоления момента сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенного к ведомым дискам включаемого ФС. . Поэтому для обеспечения безразрывности процесса переключения передач в КП ФС должно продолжать передавать определенный крутящий момент , величина которого при прочих равных условиях зависит от величины момента трения включаемого ФС на передаче . В результате экспериментальных исследований [2, 8] установлено, что угловая скорость вала двигателя в процессе переключения передач в КП автомобилей и тракторов при перекрытии передач с помощью двух ФС изменяется незначительно. Поэтому если пренебречь изменением угловой скорости двигателя в период одновременной работы двух ФС, то уравнение моментов будет определяться выражением (см. рис. 1, б): (1) где - момент сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенный к валу 2 КП. Из уравнения (1) видно, что на первом этапе переключения передач крутящий момент двигателя передается валу 2 через два ФС одновременно двумя параллельными потоками. При этом каждая из передач трансформирует подводимую к ней часть момента двигателя в соответствии со своим передаточным числом. Следовательно, если пренебречь потерями в зацеплении зубчатых колес, силовое передаточное число рассматриваемого узла КП на первом этапе переключения изменяется в интервале между величинами кинематических передаточных чисел и передач и : Таким образом, моменты и , передаваемые валу 1 со стороны ФС, являются в отношении вала 1 тормозными, что свидетельствует о передаче мощности от вала 1 к валу 2 двумя параллельными потоками через передачи и (см. рис. 1, б). Очевидно, что по мере увеличения давления в бустере ФС соответствующий ему момент также увеличивается. Другими словами, поток мощности, передаваемый через передачу , возрастает, а через передачу - уменьшается. Когда момент трения на включаемом ФС достигает значения, достаточного для преодоления момента сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенного к ведомым дискам включаемого ФС , то ФС может быть полностью выключено, и разрыва потока мощности не произойдет. Таким образом, процесс безразрывного переключения передач в КП может быть закончен, когда поток мощности через передачу обращается в ноль. Следовательно, для обеспечения процесса переключения передач в КП без разрыва потока мощности и дальнейшего разгона автомобиля или тракторного агрегата на включаемом ФС необходимо своевременно выключить ФС . Но не раньше, чем момент трения на ФС станет равным в процессе буксования моменту сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенному к ведомым дискам включаемого ФС . Иначе говоря, если ФС выключится, когда , то произойдет разрыв потока мощности в КП. Для своевременного выключения ФС необходимо установить такое давление в его бустере, чтобы обеспечивалась минимальная временная задержка размыкания дисков ФС при подаче команды на переключение передачи. Однако при этом должно обеспечиваться достаточное усилие сжатия пакета дисков ФС , необходимое для преодоления момента сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенного к валу включаемого ФС , чтобы не произошло преждевременного отключения передачи и, как следствие, разрыва потока мощности. Для этого необходимо учитывать приведенные ниже обстоятельства. 1. До тех пор, пока ФС замкнуто, и вплоть до начала срыва дисков, его момент трения определяется величиной статического коэффициента трения (коэффициента трения покоя) в контакте неподвижных дисков. Момент трения дисков буксующего ФС будет определяться динамическим коэффициентом трения (коэффициентом трения скольжения) , который по величине существенно меньше коэффициента трения покоя [9, 10]. Поскольку , то в процессе переключения передачи при сбросе давления рабочей жидкости в бустере выключаемого ФС до определенной (даже весьма маленькой) величины оно может оставаться замкнутым, в то время как включаемое ФС даже при большем давлении жидкости в его бустере будет буксовать. 2. Активный сброс давления в бустере выключаемого ФС может привести к тому, что произойдет срыв и буксование ФС. Как следствие, может нарушиться условие безразрывности потока мощности в КП в связи с тем, что момент трения скольжения на выключаемом ФС после его срыва, приведенный к ведомым дискам включаемого ФС , в сумме с моментом на включаемом ФС будет меньше момента сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенного к ведомым дискам включаемого ФС , т.е. не будет выполняться равенство (1). 3. Переключение передач без разрыва потока мощности при буксовании выключаемого ФС было бы возможно, если бы во время его срыва момент трения на включаемом ФС в сумме с моментом выключаемого буксующего ФС , приведенным к ведомым дискам включаемого ФС , был равен моменту сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенному к ведомым дискам включаемого ФС , т.е. выполнялось бы равенство (1). Однако с учетом того, что процесс переключения передач в КП по времени занимает не более 0,2-0,5 с, а также в связи с инерционностью гидравлических процессов добиться этого на практике применительно к процессу переключения передач в КП невозможно. 4. Возможность буксования выключаемого ФС в процессе переключения передач исключается также тем фактом, что с ростом момента трения ФС в процессе его буксования доля момента ФС в уравнении (1) пропорционально уменьшается. Таким образом, постепенно разгружаясь, ФС как бы снимает с себя усилие (момент), способное его сорвать и перевести из замкнутого состояния в буксующее. Учитывая изложенные обстоятельства, можно заключить, что процесс переключения передач в КП без разрыва потока мощности происходит при буксовании дисков ФС включаемой передачи и замкнутых дисках ФС выключаемой. При этом диски выключаемого ФС должны быть подготовлены к выключению за счет снижения давления в бустере до величины, обеспечивающей передачу ФС доли момента сопротивления движению и одновременно гарантирующей быстрый сброс и полное (желательно без остаточного момента ведения) выключение ФС по факту достижения ФС включаемой передачи значения момента сопротивления движению. Такое переключение передач в КП, в процессе которого ФС полностью выключается, когда момент на его валу становится равным нулю, а момент на валу ФС достаточен для преодоления момента сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, называется переключением передач без разрыва потока мощности при оптимальном перекрытии. В данном случае время перекрытия при переключении передач в КП называется оптимальным, = [6, 7, 11-13]. Если по окончании первого этапа (оптимального перекрытия) ФС передачи не будет выключено, то начнется второй этап переключения передач - с избыточным перекрытием. Он начнется в момент времени, когда крутящий момент , передаваемый ФС , обратится в ноль. Необходимо отметить, что в этом случае в момент времени крутящий момент ФС обращается в ноль даже при полностью включенном ФС. Это связано с тем, что в момент времени величина момента трения на валу ФС становится достаточной для преодоления момента сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенного к валу включаемого ФС , а ФС не буксует. При момент трения на включаемом ФС продолжает увеличиваться. В результате этого включаемая передача начинает подводить к ведомому валу большую мощность, чем требуется для обеспечения движения автомобиля или тракторного агрегата со скоростью , соответствующей передаче , что должно было бы вызвать разгон машины от скорости до . Однако если момент ФС выключаемой передачи еще достаточно велик, то передача препятствует разгону автомобиля или тракторного агрегата, отводя избыточную мощность, подводимую передачей , обратно с ведомого вала 2 на ведущий вал 1 КП (см. рис. 1, в). Это приводит к циркуляции мощности в контуре узла КП, образованном валами 1 и 2 и передачами и . В результате на этом этапе исключается возможность разгона автомобиля или тракторного агрегата при буксовании ФС с постоянной относительной угловой скоростью. Однако циркуляция не вызывает нарушения потока мощности, поступающей от двигателя к ведущим колесам машины, поскольку циркулирует только избыточная часть мощности, подводимая к ведомому валу 2 КП передачей . При полном выключении ФС передачи этот этап избыточного перекрытия заканчивается. Этап избыточного перекрытия по определению нежелателен и в принципе требует исключения из процесса переключения передач в КП без разрыва потока мощности. Но если переключение все же выходит на этап избыточного перекрытия, нужно понимать, что причиной в первую очередь служит ошибка управления КП, связанная с нарушением алгоритма управления или каким-либо механическим дефектом в узле переключения. Однако в связи с тем, что сброс давления в выключаемом ФС имеет определенную инерционность, обеспечить мгновенное выключение ФС по достижении ФС значения момента сопротивления движению довольно сложно. Поэтому при нормальной работе КП избыточное перекрытие может иметь место, что связано главным образом с сохранением остаточного давления в бустере ФС после завершения этапа оптимального перекрытия. Очевидно, что при нормальной работе КП эта задержка (при ее наличии) должна быть краткосрочной в сравнении с периодом оптимального перекрытия. Однако при математическом моделировании процесса переключения передач в КП учитывать эту задержку необходимо. Несмотря на умозрительную возможность срыва ФС под воздействием циркуляции мощности при избыточном перекрытии, в реальных условиях работы КП этот срыв невозможен по тем же причинам, что и на этапе оптимального перекрытия. Еще раз отметим, что если давление в бустере ФС снижается до минимального значения, момент трения его дисков определяется по-прежнему величиной статического коэффициента трения , а момент циркуляции , которым нагружается ФС в течение этапа избыточного перекрытия, не успевает достичь значения, достаточного для срыва его дисков, из-за непродолжительности самого этапа. В каждый момент времени переключения передачи момент , передаваемый выключаемым ФС , будет равен разности момента трения на включаемом ФС и момента сопротивления движению автомобиля или тракторного агрегата, приведенных к валу выключаемого ФС . Причем после завершения этапа оптимального перекрытия (в процессе которого значение уменьшалось до нуля по мере роста ) с наступлением этапа избыточного перекрытия момент начинает вновь расти, меняя при этом направление. При приведении момента циркуляции , которым нагружается ФС на этапе избыточного перекрытия, к дискам выключаемого ФС получим: За этапом избыточного перекрытия передач в КП следует этап разгона ведомых частей автомобиля или тракторного агрегата (см. рис. 1, г), который начинается после выключения ФС . Вследствие этого под действием момента ФС происходит разгон автомобиля или тракторного агрегата на включаемой передаче в КП. Этот этап переключения отличается от процесса трогания автомобиля или тракторного агрегата с места с помощью главного ФС в основном только начальными условиями и подробно разобран в работах [6, 7, 11-13], поэтому в данной работе он не рассматривается. Изложенные выше теоретические положения опираются на математические модели, достоверность которых подтверждена экспериментальными исследованиями [6, 7, 11-13]. Для исследования процесса переключения передач в КП без разрыва потока мощности на кафедре автомобилей и тракторов Университета машиностроения (МАМИ) создан стенд (рис. 2), позволяющий управлять процессом переключения передач в двухступенчатой КП, имитировать различные режимы нагружения и регистрировать параметры, описывающие состояние элементов КП, в т.ч. давление в бустерах ФС, моменты, передаваемые включаемым и выключаемым ФС, угловые частоты вращения звеньев и время. На данном стенде впервые осуществлена запись крутящих моментов одновременно на включаемом и выключаемом ФС при переключении передач в КП с различной степенью их перекрытия (см. рис. 1). Полученными результатами экспериментальных исследований полностью подтверждены результаты теоретических положений данной работы. Таким образом, в процессе переключения передач в КП без разрыва потока мощности момент трения выключаемого ФС определяется статическим коэффициентом трения , который всегда больше коэффициента трения скольжения . В результате процесс переключения передач в КП без разрыва потока мощности происходит при буксовании дисков ФС включаемой передачи и замкнутых дисках ФС выключаемой. При этом величина крутящего момента, передаваемого выключаемым ФС , зависит от величины момента трения включаемого ФС . Момент трения на включаемом ФС при его буксовании наиболее часто достигает максимального значения. Однако возможны случаи процесса переключения передач в КП, когда включаемое ФС заканчивает буксование до полного включения. Результаты данной работы распространяются и на составные КП типа DSG (Direct Shift Gearbox), состоящие из двух параллельных КП, выполненных в одном общем корпусе, где переключение передач осуществляется двойным ФС и синхронизаторами [14-16]. В таких КП перекрытие переключения передач выполняется двойным ФС.

About the authors

V. M Sharipov

University of Mechanical Engineering (MAMI), N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: trak@mami.ru

M. I Dmitriyev

University of Mechanical Engineering (MAMI)

A. S Zenin

University of Mechanical Engineering (MAMI)

I. A Malanin

University of Mechanical Engineering (MAMI)

I. A Smirnov

Combined Arms Academy of the Armed Forces of the Russian Federation

References

Supplementary files